CN109687472A - 一种基于柔性多状态开关的无功电压协调控制方法 - Google Patents

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杨勇
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陆翌
王朝亮
许烽
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Abstract

本发明公开了一种基于柔性多状态开关的无功电压协调控制方法，针对选定的配电系统，依据不同的控制目标确定各节点电压偏差之和最小指标权重系数和网损最小指标权重系数；根据权重系数建立配电系统馈线群的无功电压协调控制目标函数；构建功率潮流约束、控制变量约束和安全约束的约束条件，得到由目标函数和各约束条件构成的基于柔性多状态开关的馈线群无功电压协调控制优化模型；针对优化模型进行求解获得目标函数值、柔性多状态开关的各端口无功补偿量以及配电系统各节点电压，实现无功电压协调控制。本发明将配电网馈线群作为一个整体进行电压管理，协调馈线群无功输出，有效提高整个分区配电网的电压水平。

Description

一种基于柔性多状态开关的无功电压协调控制方法
技术领域
本发明涉及一种无功电压协调控制方法，更具体地说是一种基于柔性多状态开关的无功电压协调控制方法。
背景技术
无功电压问题一直是配电网系统关注的主要问题。
配电网内间歇性分布式电源(Distributed Generator，DG)和负荷的大量接入使配电系统的电压稳定性受到制约。对无功功率进行有效补偿是保证电网线路安全运行的重要措施之一。现有的无功补偿装置，例如电容器组、静止无功补偿器(SVG)、静止同步补偿器(STATCOM)等设备，通过向公共连接点(PCC)注入或吸收无功功率，实现配电系统的无功电压调节。但是现有的配电系统无功电压控制模式仅考虑配电单条或两条馈线，对于大面积零散分布的分布式电源和居民负荷，单端无功补偿设备已无法满足地区配电的电压综合控制需求。
未来电力系统趋于智能电网模式，智能配电网是智能电网的重要组成部分，其安全可靠、优质高效的运行是保证电力系统稳定性的关键环节。相对于配电二次系统的快速发展，配电网一次装备技术的发展多集中在“源”和“荷”层面，在配电“网”层面缺少可支持电网灵活调度与控制的柔性调节装置。柔性多状态开关(flexible multi-state switch，FMSS)能够连接配电网多条馈线，进行三端或多端口运行，可以柔性调节馈线间功率的潮流，根据控制目标需求，快速、准确地跟随指令调节无功功率，对系统进行补偿，实现电压控制的目的。而且柔性多状态开关可以将配电馈线群连接起来，将其作为一个整体进行电压管理，既起到地区电压支撑作用，又能协调馈线群无功补偿，提高了整个分区配电的电压水平。但是，现有技术中将柔性多状态开关装置作为控制手段来解决配电系统的无功电压协调控制问题尚未有公开报导。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种基于柔性多状态开关的无功电压协调控制方法，将柔性多状态开关装置作为控制手段，用来解决配电系统的无功电压协调控制问题，从而将配电网馈线群作为一个整体进行电压管理，协调馈线群无功输出，以期提高整个分区配电网的电压水平。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明基于柔性多状态开关的无功电压协调控制方法的特点是按照如下步骤进行：
步骤1、确定权重系数；
针对选定的配电系统，依据不同的控制目标，分别确定配电系统各节点电压偏差之和最小指标权重系数m1和配电系统网损最小指标权重系数m2，0≤m1≤1，0≤m2≤1；
步骤2、建立模型；
根据所述权重系数m1和权重系数m2，综合考虑地区无功补偿和网损，构建节点电压偏差之和最小和网损最小的目标函数，所述节点电压偏差之和最小和网损最小的目标函数即为配电系统馈线群的无功电压协调控制目标函数；依据所述配电系统中的分布式电源和其它无功补偿设备的无功出力，确定功率和电压之间关系，根据所述功率和电压之间关系建立功率潮流约束、控制变量约束和安全约束的约束条件；由所述目标函数和各约束条件构成基于柔性多状态开关的馈线群无功电压协调控制优化模型；
步骤3、模型求解；
求解所述配电系统馈线群的无功电压协调控制目标函数，求解结果包括目标函数值、柔性多状态开关的各端口无功补偿量以及配电系统各节点电压，实现无功电压协调控制。
本发明基于柔性多状态开关的无功电压协调控制方法的特点也在于：步骤2中建立所述基于柔性多状态开关的馈线群无功电压协调控制优化模型是按如下方法进行：
步骤2.1、利用式(1)计算获得配电馈线群节点电压偏差指标f1：
式(1)中，以i表征节点，n为节点数，Ui为节点i的电压幅值，为节点i的给定电压，为节点i的给定电压的最大偏差量；
利用式(2)计算获得网损最小指标f2：
式(2)中，以k表征馈线，l为馈线群总数量，以j表征节点，Gij为节点i和节点j之间的电导，Uj为节点j的电压幅值，θij为节点i和节点j的电压相角差；
则，所述配电系统馈线群的无功电压协调控制目标函数F由式(3)所表征：
minF＝m1f1+m2f2 (3)
步骤2.2、按如下方式建立功率潮流约束、控制变量约束和安全约束的约束条件：
所述功率潮流约束由式(4)所表征：
式(4)中，Pi为节点i有功功率，Qi为节点i无功功率，Bij为节点i和节点j之间的功角；并有：
式(5)中，Pgi为节点i分布式电源有功功率，Psi为节点i柔性多状态开关有功功率，Pli为节点i负载有功功率，Qgi为节点i分布式电源无功功率，Qci为节点i其它无功补偿设备无功功率，Qsi为节点i柔性多状态开关无功功率，Qli为节点i负载有功功率；
所述控制变量约束由式(6)所表征：
式(6)中，S为柔性多状态开关功率容量，Psimin和Psimax分别为节点i柔性多状态开关有功功率下限和上限，Qsimin和Qsimax分别为节点i柔性多状态开关无功功率下限和上限，Qcimin和Qcimax为其它无功补偿设备的容量下限和上限；
所述安全约束条件由式(7)所表征：
式(7)中，Uimin和Uimax分别为节点i电压幅值的下限和上限，Ilmin和Ilmax分别为馈线l电流幅值的下限和上限。
本发明基于柔性多状态开关的无功电压协调控制方法的特点也在于：采用由式(8)所表征的遗传算法GA求解配电系统馈线群的无功电压协调控制目标函数F：
minGA(L,N,P(0),f,s,p,h) (8)
式(8)中，L表示个体，所述个体L是由柔性多状态开关的无功补偿量和其它无功补偿设备的可控变量组成，即：L＝[Qs1，Qs2，…，Qsn，Qc1，Qc2，…，Qcn]；N为随机生成的种群个体总数；P(0)为N个L组成的初始种群；f为适应度，所述适应度f为目标函数值f1和f2；s为选择策略，所述选择策略是指选择保留使目标函数F的值为最小的L；p为遗传算子；h为终止条件，设置最大迭代次数作为终止条件。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明将柔性多状态开关装置作为控制手段，用来解决配电系统的无功电压协调控制问题，从而将配电网馈线群作为一个整体进行电压管理，协调馈线群无功输出，有效提高了整个分区配电网的电压水平。
2、本发明采用的柔性多状态开关能够灵活地控制功率，建立的馈线群无功电压协调控制优化模型中，以配电系统节点电压偏差之和最小和网损最小为目标函数，以功率潮流约束、控制变量约束和安全约束为约束条件，保障了配电系统的安全性和经济性，协调了馈线群的无功补偿，改善了配电系统的电压波动问题。
附图说明
图1为本发明控制方法流程图；
图2为本发明中柔性多状态开关接入配电系统馈线群拓扑结构；
具体实施方式
参见图1和图2，本实施例中基于柔性多状态开关的无功电压协调控制方法按照如下步骤进行：
步骤1、确定权重系数；
针对选定的配电系统，依据不同的控制目标，分别确定配电系统各节点电压偏差之和最小指标权重系数m1和配电系统网损最小指标权重系数m2，0≤m1≤1，0≤m2≤1。不同的控制目标是指节点电压偏差之和最小的控制目标和网损最小的控制目标，控制目标是根据电网调度中心指令所确定；例如，若是所选定的配电系统只要求安全性而不考虑网损问题，则有：m1＝1，m2＝0。
步骤2、建立模型；
基于图2所示的柔性多状态开关接入配电系统馈线群拓扑结构，确定配电网馈线群参数和负荷水平，确定分布式电源接入位置、参数和容量，确定电容器组和静止无功补偿器等无功补偿设备接入位置、参数和容量，确定柔性多状态开关接入位置、参数和容量；
根据权重系数m1和权重系数m2，综合考虑地区无功补偿和网损，构建节点电压偏差之和最小和网损最小的目标函数，节点电压偏差之和最小和网损最小的目标函数即为配电系统馈线群的无功电压协调控制目标函数；依据配电系统中的分布式电源和其它无功补偿设备的无功出力，确定功率和电压之间关系，根据功率和电压之间关系建立功率潮流约束、控制变量约束和安全约束的约束条件；由目标函数和各约束条件构成基于柔性多状态开关的馈线群无功电压协调控制优化模型。
具体实施中，按如下过程建立基于柔性多状态开关的馈线群无功电压协调控制优化模型：
步骤2.1、为保证地区电网的电压质量，利用式(1)计算获得配电馈线群节点电压偏差指标f1：
式(1)中，以i表征节点，n为节点数，Ui为节点i的电压幅值，为节点i的给定电压，为节点i的给定电压的最大偏差量；
为保证地区电网的经济运行，利用式(2)计算获得网损最小指标f2：
式(2)中，以k表征馈线，l为馈线群总数量，以j表征节点，Gij为节点i和节点j之间的电导，Uj为节点j的电压幅值，θij为节点i和节点j的电压相角差；
综合考虑地区配电系统的安全性和运行经济性，配电系统馈线群的无功电压协调控制目标函数F由式(3)所表征：
minF＝m1f1+m2f2 (3)
步骤2.2、按如下方式建立功率潮流约束、控制变量约束和安全约束的约束条件：
功率潮流约束由式(4)所表征：
式(4)中，Pi为节点i有功功率，Qi为节点i无功功率，Bij为节点i和节点j之间的功角；考虑到节点i的有功功率平衡和无功功率平衡，有：
式(5)中，Pgi为节点i分布式电源有功功率，Psi为节点i柔性多状态开关有功功率，Pli为节点i负载有功功率，Qgi为节点i分布式电源无功功率，Qci为节点i其它无功补偿设备无功功率，Qsi为节点i柔性多状态开关无功功率，Qli为节点i负载有功功率；其它无功补偿设备包括：电容器组和静止无功补偿器。
控制变量包括柔性多状态开关有功、无功出力，电容器组和静止无功补偿器等无功补偿设备的投入量，考虑柔性多状态开关容量和其它无功补偿设备容量，控制变量约束由式(6)所表征：
式(6)中，S为柔性多状态开关功率容量，Psimin和Psimax分别为节点i柔性多状态开关有功功率下限和上限，Qsimin和Qsimax分别为节点i柔性多状态开关无功功率下限和上限，Qcimin和Qcimax为其它无功补偿设备的容量下限和上限；
配电系统内各节点电压和各馈线电流须满足电压安全性约束，安全约束条件由式(7)所表征：
式(7)中，Uimin和Uimax分别为节点i电压幅值的下限和上限，Ilmin和Ilmax分别为馈线l电流幅值的下限和上限。
步骤3、模型求解；
将确定的参数代入各公式，求解配电系统馈线群的无功电压协调控制目标函数，求解结果包括目标函数值、柔性多状态开关的各端口无功补偿量以及配电系统各节点电压，实现无功电压协调控制。
具体实施中，采用由式(8)所表征的遗传算法GA求解配电系统馈线群的无功电压协调控制目标函数F：
minGA(L,N,P(0),f,s,p,h) (8)
式(8)中，L表示个体，个体L是由柔性多状态开关的无功补偿量和其它无功补偿设备的可控变量组成，即：L＝[Qs1，Qs2，…，Qsn，Qc1，Qc2，…，Qcn]；N为随机生成的种群个体总数；P(0)为N个L组成的初始种群；f为适应度，适应度f为目标函数值f1和f2；s为选择策略，选择策略是指选择保留使目标函数F的值为最小的L；p为遗传算子；h为终止条件，设置最大迭代次数作为终止条件。
遗传算法是模拟自然进化过程搜索最优解的方法，是以适应值为依据，通过群体中个体施加遗传操作实现个体结构重组的迭代过程；在这一过程中，群体中的个体(即问题的解)一代一代地被优化并逼近最优个体(即最优解)；对于各种通用问题均可以使用遗传算法，比如函数优化、车间调度、旅行商问题等；本实施例中所涉及遗传算法的具体计算步骤参见《电力系统自动化》(国内刊号：32-1180/TP，国际刊号：1000-1026)的期刊在1995年第11期第19-23页中刊载的《实现无功优化的新算法——遗传算法》一文所公开的遗传算法。
本发明应用柔性多状态开关可以快速调节配电网中的无功补偿，无功电压协调控制方法兼顾配电系统中的各条馈线，减少了经济损失，改善了馈线电压水平，遗传算法收敛性好、鲁棒性高、适用性强，采用遗传算法很好的解决了优化模型的多变量、非线性、不连续、多约束的优化控制问题。

Claims (3)

1.一种基于柔性多状态开关的无功电压协调控制方法，其特征按照如下步骤进行：
步骤1、确定权重系数；
针对选定的配电系统，依据不同的控制目标，分别确定配电系统各节点电压偏差之和最小指标权重系数m1和配电系统网损最小指标权重系数m2，0≤m1≤1，0≤m2≤1；
步骤2、建立模型；
根据所述权重系数m1和权重系数m2，综合考虑地区无功补偿和网损，构建节点电压偏差之和最小和网损最小的目标函数，所述节点电压偏差之和最小和网损最小的目标函数即为配电系统馈线群的无功电压协调控制目标函数；依据所述配电系统中的分布式电源和其它无功补偿设备的无功出力，确定功率和电压之间关系，根据所述功率和电压之间关系建立功率潮流约束、控制变量约束和安全约束的约束条件；由所述目标函数和各约束条件构成基于柔性多状态开关的馈线群无功电压协调控制优化模型；
步骤3、模型求解；
求解所述配电系统馈线群的无功电压协调控制目标函数，求解结果包括目标函数值、柔性多状态开关的各端口无功补偿量以及配电系统各节点电压，实现无功电压协调控制。
2.根据权利1要求的基于柔性多状态开关的无功电压协调控制方法，其特征在于：步骤2中建立所述基于柔性多状态开关的馈线群无功电压协调控制优化模型是按如下方法进行：
步骤2.1、利用式(1)计算获得配电馈线群节点电压偏差指标f1：
式(1)中，以i表征节点，n为节点数，Ui为节点i的电压幅值，为节点i的给定电压，为节点i的给定电压的最大偏差量；
利用式(2)计算获得网损最小指标f2：
式(2)中，以k表征馈线，l为馈线群总数量，以j表征节点，Gij为节点i和节点j之间的电导，Uj为节点j的电压幅值，θij为节点i和节点j的电压相角差；
则，所述配电系统馈线群的无功电压协调控制目标函数F由式(3)所表征：
minF＝m1f1+m2f2 (3)
步骤2.2、按如下方式建立功率潮流约束、控制变量约束和安全约束的约束条件：
所述功率潮流约束由式(4)所表征：
式(4)中，Pi为节点i有功功率，Qi为节点i无功功率，Bij为节点i和节点j之间的功角；并有：
式(5)中，Pgi为节点i分布式电源有功功率，Psi为节点i柔性多状态开关有功功率，Pli为节点i负载有功功率，Qgi为节点i分布式电源无功功率，Qci为节点i其它无功补偿设备无功功率，Qsi为节点i柔性多状态开关无功功率，Qli为节点i负载有功功率；
所述控制变量约束由式(6)所表征：
式(6)中，S为柔性多状态开关功率容量，Psimin和Psimax分别为节点i柔性多状态开关有功功率下限和上限，Qsimin和Qsimax分别为节点i柔性多状态开关无功功率下限和上限，Qcimin和Qcimax为其它无功补偿设备的容量下限和上限；
所述安全约束条件由式(7)所表征：
式(7)中，Uimin和Uimax分别为节点i电压幅值的下限和上限，Ilmin和Ilmax分别为馈线l电流幅值的下限和上限。
3.根据权利要求1的基于柔性多状态开关的无功电压协调控制方法，其特征在于：采用由式(8)所表征的遗传算法GA求解配电系统馈线群的无功电压协调控制目标函数F：
minGA(L,N,P(0),f,s,p,h) (8)
式(8)中，L表示个体，所述个体L是由柔性多状态开关的无功补偿量和其它无功补偿设备的可控变量组成，即：L＝[Qs1,Qs2,…,Qsn,Qc1,Qc2,…,Qcn]；N为随机生成的种群个体总数；P(0)为N个L组成的初始种群；f为适应度，所述适应度f为目标函数值f1和f2；s为选择策略，所述选择策略是指选择保留使目标函数F的值为最小的L；p为遗传算子；h为终止条件，设置最大迭代次数作为终止条件。
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